理化学研究所(理研)放射光科学研究中心物质动力学研究组总监阿尔弗雷德·巴伦、东北大学研究生院理学研究科地学专业特聘研究员生田大穧(研究当时)、大谷荣治名誉教授等研究小组， 在与卡尔斯鲁厄理工大学量子材料科学研究所副所长罗尔夫·海特的国际共同研究中，发表了决定新的绝对压力尺度[1] (状态方程式)，并基于此对地球核的化学组成进行变更的成果。 本研究成果是对太阳系外行星的内部结构，以及数百万气压高压下物理学、化学、材料科学相关的所有物质的行为进行重新评估的重要结果。 这次，国际共同研究小组利用大型放射光设施“spring-8”[2]的世界最高亮度的放射光x射线和金属铼，确定了表示超高压下压力和物质密度关系的新绝对尺度。 在世界最高压力范围内，该绝对压力标度是传统的2倍，无需外推(根据已知测量值推测、推测未知值)即可应用于地球核内部的压力范围。 与此相比，发现以往的尺度在地球核内部的压力区域，高估了20%以上的压力。 地球的核以固体铁为主要成分，含有硅、硫这样的轻物质。 如果使用这次的绝对压力尺度，在内核的条件下，固体铁的密度比地震学上观测到的密度大8%，约相当于与以前的压力尺度所估算的密度之差的2倍。 从该结果可知，核中含有的轻物质可以估算为地球表层部(地坛)质量的5倍以上。 这是地球内部结构讨论中非常重要的成果。 本研究刊登在网络科学杂志《Science Advances》( 9月8日)上。
地球和天体的内部受到了非常大的压力。 如果确定了天体内部的质量分布(密度分布)，就可以计算施加了多大的压力。 例如，地球中心的压力计算为365万大气压。 在实验室产生超高压，确定物质在高压下的密度，通过比较行星内部的压力和密度的观测值，可以调查行星内部的物质。 确定实验中的准确压力对研究物质在高压下的物性很重要。 高压实验中的压力可通过表示标准物质密度与压力关系的状态方程式(压力标尺)进行计算。 如果该比例不确定，则无法定量评估高压下的现象。 可靠压力尺度的开发长期以来一直是高压科学领域的一个基本而重要的课题。 迄今为止，基于假设和外推对称为兰金雨贡纽绝热曲线[3]的压力与密度关系式进行修正后的结果，被普遍用作压力尺度，许多研究者提出了各种各样的压力尺度，但修正方法中存在假设和外推 因此，在相当于地球核的数百万气压下，物质的压力和密度的关系由于尺度之间的不一致而存在很大的不确定性。 这使得高压实验中压力的确定和行星内部的定量讨论变得困难起来。 因此，人们一直在期待不用假设和外推的绝对(一次)压力标尺。 早在20多年前，人们就提出，在高压下，只要能独立测量物质的纵波速度、横波速度及密度三种物性，就可以实现绝对压力尺度。 但是，由于超高压下纵波速度和横波速度的测量非常困难，因此也没能实现适用于波及地球核的超高压的绝对压力标尺。
关于密度，被称为粉末x射线衍射法[4]的测定法已经被确立。 纵波速度通过非弹性x射线散射法[4]被测定到150万气压左右。 国际联合研究小组研究了是否可以改进非弹性x射线散射法，在更高压下测量纵波速度的同时，测量难以测量的横波速度。 横波与纵波相比，非弹性散射强度微弱，被认为很难测量。 因此，研究了大型放射光设施" spring-8 " bl43 lxu理研量子纳米动态光束线[5]的高强度且微小径( 5微米径)的放射光x射线光束、金刚石砧高压发生装置[6]、以及非弹性x射线散射法和粉末x 再加上使用太阳能屏幕这一特殊装置改良了x射线光学系统，将来自试样的信号以外的噪声减少到了极限。 结果，成功地测量到了超过地球核地幔边界( 135万气压)的核内部230万气压的超高压条件下，来自此前被埋在噪声中的横波的非弹性散射信号(图1 )。
图1 230万大气压超高压下来自金属铼的非弹性散射的测量实例
1秒钟内0.025计数左右弱信号，来自金属铼试样的横波(红色峰值)引起的非弹性x射线散射信号中，铼的纵波(蓝色峰值)和来自高压发生装置金刚石的信号(黄色和绿色峰值)可以明确分离。
由于不仅可以测量密度，还可以测量纵波速度和横波速度，因此即使在相当于核内部的超高压下，也可以制作绝对压力标尺。 图2中的黑色曲线是根据使用金属铼在超高压下的纵波速度、横波速度及密度得到的绝对压力尺度，铼的压缩曲线。 与通过包括假设和外推的压力尺度评估的先前研究的铼的压缩曲线相比，迄今为止的压力尺度在超过核地幔边界135万大气压的压力下，明显高估了压力。 发现该差随着压力的增加而增加，在230万气压下估计过高了20%以上(图2 )。
图2根据绝对压力尺度和传统压力尺度评价的金属铼的压缩曲线的比较
黑色的方形和线表示通过本研究构建的绝对压力标尺进行评价的金属铼各测量条件下的压力与密度的关系(压缩曲线)。 作为参考，展示了根据冲击压缩实验(红)、理论研究(黄)以及迄今为止的压力尺度(绿:红宝石氦钨尺度，蓝:金尺度)的先行研究的压缩曲线。 温度都是常温。
本研究明确的迄今为止的压力尺度对压力的过高估计，在地球和行星内部的研究中具有非常重要的意义。 图3显示了通过地震波速度观测得到的地球内部的层结构，以及地震波速度和密度相对于距地表深度的分布。 被称为地球内部结构模型( PREM ) [7]。 据PREM介绍，地球内部占据较大区域的是上地幔(和地幔过渡层)、下地幔、内核和内核。 上地幔是由橄榄石、下地幔是由布里奇迈特、费罗里克斯等矿物制成的。 核主要由金属铁合金(外核为液体铁合金，内核为固体铁合金)组成，一部分含有硅、硫等轻物质。 确定该核中所含的轻物质已成为地球科学多年来的主题之一。
图3地震波速度和密度对地表深度的相关性(左)和地球内部结构的模式图(右)
通过地震波速度观测，得到了p波(纵波)和s波(横波)相对于距地表深度的传播速度分布和密度分布。 基于这些计算的地球内部的层结构称为地球内部结构模型( PREM )。 据PREM报道，地球内部分为可以明确划分的几个层，其中最大的区域是上地幔(以及地幔过渡层)、下地幔(主要成分是桥铁矿和铁氧铁合金等高压矿物)、外核(液体铁合金层) 我们居住的地球表层部(地坛)只是像薄皮一样覆盖上地幔表面的黑线所示的很小的区域( 10~30km，到中心的深度6，370 km的0.5%以下)。
图4将根据本研究的绝对压力尺度重新评估的地球核的温度压力条件(内核边界推测为压力330万气压，温度6,000K )下的金属铁密度与PREM的内核密度进行了比较。 根据迄今为止的压力尺度，金属铁和PREM的密度差的估计约为4%，而基于绝对压力尺度的金属铁和PREM的密度差约为8%，实际上相当于2倍的密度差。 即使在外核的条件下，由绝对压力尺度引起的金属铁和PREM的密度差也比以前的推定值大30%到50%。 根据这个结果，如果地球的核中含有轻的物质，换算一下核中含有多少轻的物质才能说明这个密度差，就会发现核中含有相当于地表5倍以上的轻的物质。 这是迫使迄今为止对地球内部结构的讨论发生变更的重要见解。
图4用绝对压力尺度重新评估的地球内核边界条件下金属铁的密度与PREM的比较
红色方块表示根据本研究构筑的压力尺度重新评估的地球内核的温度·压力条件(内核边界为330万气压，地球中心为365万气压，温度均推定为6，000 k )下的金属铁的密度。 灰色圆圈是地震波观测得到的PREM内核的密度，与本研究铁的密度的密度差约为8%。 作为参考，根据迄今为止的压力尺度，用蓝色三角表示先行研究的金属铁在相同条件下的密度，与PREM的密度差约为4%。 根据本研究和先行研究的密度差有相当于2倍的差距，这暗示着地球的核中有可能含有比以前估计量轻2倍的轻物质。
这次决定的绝对压力尺度显示了重新审视地球核的结构和组成的结果。 但其影响并不仅限于地球的核。 对于压力比地球核还大的太阳系其他行星和比地球还巨大的太阳系外行星的内部结构的研究，也需要进行变更。 进而对物性物理学、化学、以及材料科学中处理的所有物质在超高压下的行为也进行了重新考虑，对高压科学领域整体产生了巨大的影响。 今后，在根据本研究提高绝对压力标尺精度的同时，正在探讨将该绝对压力标尺可适用的压力范围扩展到压力高于地球核内部压力的系统外行星内部。 还计划使用绝对压力尺度，更详细地重新评估地球核和系外行星内部的结构。
1 .绝对压力标尺 以前作为压力尺度基础的兰金雨贡纽绝热曲线是通过冲击压缩实验求出的，但由于冲击压缩是一种随着压力上升温度也上升的绝热压缩，因此为了用作压力尺度，需要转换为等温压缩过程。 用于该转换的物质热力学特性的计算包括假设和外推，特别是高压条件下的转换很大程度上取决于该假设和外推，这是基于冲击压缩的压力尺度较大不确定性的主要原因。 为了解决多年的问题，卡内基研究所的Zha等人于2000年提出了在等温过程中同时测量物质的纵波速度、横波速度及密度，不使用假设，只利用三个物理量确定等温压缩曲线的方法。 这种压力与密度的关系称为绝对压力标度。 2 .大型辐射光设施“SPring-8” 位于兵库县播磨科学公园城市的能产生世界最高性能放射光的理化学研究所的设施。 高亮度光科学研究中心( JASRI )进行了使用者支援等。 辐射光是指在将电子加速到亚光速的同时，通过电磁铁使其前进方向弯曲时产生的纤细而强大的电磁波。 SPring-8中使用该放射光，进行了从基础科学到产业利用的广泛研究。 3 .兰金雨贡纽绝热曲线 由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律表示的物质碰撞产生的冲击波在物质内部通过时产生的压力和密度等物理量的变化关系，称为兰金雨贡纽关系式。 由于各物理量的变化量由对象物质的初始密度和冲击速度唯一确定，通过改变冲击速度进行冲击压缩实验得到的冲击压缩数据应用兰金雨贡纽关系式，可以确定绝热过程中的压缩曲线。 这被称为兰金雨贡纽绝热曲线。 4 .粉末x射线衍射法、非弹性x射线散射法 粉末x射线衍射法是通过对粉末试样照射x射线，测量来自试样晶格的衍射x射线，从而测量晶格的结构和体积的方法。 如果知道试料的化学组成，就可以决定其结晶的密度。 高压下的测量可以确定物质在高压下的密度，并与压力标尺相结合可以确定状态方程。 非弹性x射线散射法是通过对物质照射x射线时晶格引起的非弹性散射来观测物质晶格振动的方法。 晶格振动的声学模式有纵波模式和横波模式，各自的振动频率相当于物质内传播的纵波和横波的弹性波速度。 关于弹性波速度的测定方法，除了非弹性x射线散射法以外还确立了多种方法，各种方法都有优缺点，但作为利用金刚石压砧高压产生装置高精度地测定处于稳定的压力产生状态(静态压缩)的金属试样的弹性波速度的方法，在非弹性x射线散射法中 5.BL43LXU理研量子纳米动态光束线 这是设置在SPring-8上的理研光束线之一，由巴罗集团总监(图左)领导的理研放射光科学研究中心物质动力学研究小组设计、建设并运用。 该束线除了可以利用非弹性x射线散射法在纳米尺度(原子间距水平)上观测物质的晶格振动，确定物质内传播的弹性波速度外，还进行了物质各种动力学的研究。 物质动力学研究小组从10年前开始对该束线进行高压下的弹性波速度测量。 照片右边的人物是与巴伦集团总监一样的BL43LXU光线的工作人员石川大介客座研究员。 通过2人之间可见的全长约10m的大型手臂从里到外动作，可以利用高分辨率分光计测量各种运动量变化。 来自试料的非弹性散射光谱将由巴伦集团总监左上角可见的、各自配备有独立检测器(截至2023年9月为28个)的大规模分析器检测。
6 .金刚石压砧高压发生装置 使用将切掉亮片的金刚石前端部(刮匙)研磨成微小径平面的2个砧，使研磨面相对，夹入试料，通过这样在试料部产生高压的装置。 图( a )为此次研究中使用的金刚石压砧高压发生装置，在装置中央的研钵状凹陷底部设置了2个压砧(研磨加工后的刮痕直径为30μm )，在它们之间夹入试料。 在图( b )的光学观察图像中，直径约为10μm、在中央强烈反射光的部分为约230万气压高压下的试料。
7 .地球内部结构模型( PREM ) 由于在地球内部传播的地震波的传播速度取决于传播路径上物质的物性，因此通过调查观测到的地震波速度，可以明确地球内部的地震波速度和密度分布。 从该地震波观测得到的地球内部结构的代表性模型是Dziewonski和Anderson于1981年提出的PREM。 由于全球网络每天都记录着地球内部经常发生的地震引起的p波(纵波)和s波(横波)的发生地点、发生时刻和到达世界各地的时刻(传播速度)，所以在构筑模型时，通过有效利用其庞大数量的数据，误差非常大 PREM是preliminary reference earth模型的缩写。
理化研究所放射光科学研究中心物质动力学研究组 集团总监阿尔弗雷德·巴伦( Alfred Baron ) 客座研究员福井宏之 (现高亮度光科学研究中心放射光利用研究基础中心) 客座研究员石川大介 (永久所属高亮度光科学研究中心放射光利用研究基础中心) 东北大学研究生院理学研究科地学专业 特任研究员(研究当时)生田大穧 (现冈山大学行星物质研究所) 名誉教授大谷荣治 助教坂卷龙也 卡尔斯鲁厄理工学院(德国)量子材料科学研究所 副所长罗尔夫·海特( Rolf Heid )
本研究是在日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业( 15h 05748，20h 00187 (研究代表者:大谷荣治) )的资助下进行的。
Daijo Ikuta, Eiji Ohtani, Hiroshi Fukui, Tatsuya Sakamaki, Rolf Heid, Daisuke Ishikawa, Alfred Q. R. Baron, "Density deficit of Earth's core revealed by a multimegabar primary pressure scale", Science Advances, 10.1126/sciadv.adh8706
理化研究所 放射光科学研究中心物质动力学研究组 集团总监阿尔弗雷德·巴伦( Alfred Baron ) 东北大学研究生院理学研究科地学专业 特任研究员(研究当时)生田大穧 名誉教授大谷荣治
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